Charakterystyka oscyloskopu

Bardziej płaska charakterystyka częstotliwościowa większości oscyloskopów cyfrowych umożliwia im uzyskanie mniejszego tłumienia przy częstotliwościach poniżej punktu -3 dB niż w oscyloskopach analogowych. Dzięki temu oscyloskopy cyfrowe zapewniają dokładniejsze pomiary. Po drugie, bardziej stromy spadek charakterystyki oscyloskopów cyfrowych pomaga zmniejszyć błędy aliasingu.

Zazwyczaj impuls ESD wytwarzany przez ciało człowieka może mieć czas narastania mniejszy niż 200 ps. Szerokość pasma wymagana do dokładnego wyświetlenia wynosiłaby zatem ok. 0,43 / (200 ps) czyli 2,15 GHz. Niektóre symulatory ESD mogą generować sygnały o czasie narastania 50 ps i dlatego wymagają szerokości pasma oscyloskopu ok. 8,6 GHz.

Tor tarcza-tłumik-kabel spowoduje pewną utratę amplitudy sygnału. Wahania strat między jednym układem pomiarowym a drugim muszą wynosić ±0,3 dB w zakresie częstotliwości od DC do 1 GHz i ±0,8 dB od 1 GHz do 4 GHz. Tabela 1 pokazuje, że wahania dokładności systemu mniejsze niż 1 dB mogą znacznie wpłynąć na dokładność pomiaru.

Tabela 1. Zmiana dokładności systemu powoduje wzrost procentowego błędu pomiaru

Im wyższa szerokość pasma oscyloskopu, tym dokładniej będzie on wychwytywał narastającą krawędź impulsu ESD. Tabela 2 pokazuje, że czas narastania oscyloskopu bezpośrednio wpływa na zmierzony czas narastania impulsu ESD.

Wpływ pasma oscyloskopu na dokładność pomiaru

W przypadku impulsu o czasie narastania 700 ps potrzebny jest oscyloskop o szerokości pasma co najmniej 4 GHz, aby uzyskać błąd mniejszy niż 1%. Podczas pomiaru czasu narastania należy dodać ten błąd do wszystkich błędów systemu.

Tabela 2. Rzeczywisty czas narastania w porównaniu z obserwowanym czasem narastania jako funkcja szerokości pasma oscyloskopu

Sposób pomiaru

Aby zmierzyć impuls ESD, należy ustawić oscyloskop w tryb pojedynczego wyzwalania z wykorzystaniem wyzwalania zboczem dodatnim. Poziom wyzwalania należy ustawić tuż powyżej zera. Może być konieczna niewielka regulacja poziomu wyzwalania aby uchwycić cały przebieg. Należy ustawić czułość pionową na wartość 200 mV/dz lub 400 mV/dz (w zależności od wybranego napięcia symulatora) i podstawę czasu na 20 ns/dz. Zakładając, że mierzony sygnał ma trójkątny kształt (dla uproszczenia obliczeń), zmierzony czas narastania 800 ps będzie wymagał częstotliwości próbkowania 10 GSa/s, co odpowiada 100 ps/próbkę lub ośmiu próbkom na zboczu narastającym. Wystarcza to do jego dokładnej reprezentacji.

Weryfikacja wyładowania kontaktowego

Na ogół normy ESD określają dla większości produktów testowy poziom wyładowania kontaktowego wynoszący ±4 kV, ale może się to różnić w zależności od zastosowania lub środowiska użytkowania. Na rysunku 5 przedstawiono układ do przechwytywania impulsu wyładowania kontaktowego +4 kV. Przewód uziemiający symulatora powinien być podłączony do płaszczyzny uziemienia. W przypadku pomiarów wyładowań kontaktowych grot należy umieścić bezpośrednio na tarczy przed wyzwoleniem symulatora.

Podczas rzeczywistych testów weryfikacyjnych należy trzymać przewód uziemiający symulatora z dala od przewodu koncentrycznego oscyloskopu, aby zapobiec sprzężeniu kabel-kabel. Norma zaleca uchwycenie przewodu uziemiającego na środku i odciągnięcie go od płaszczyzny uziemienia. Należy utrzymywać końcówkę roboczą wyśrodkowaną w tarczy (rysunek 6).

Rysunek 5. Układ pomiarowy pokazujący zasadę weryfikacji symulatora ESD dla wyładowania kontaktowego +4 kV do tarczy. Rzeczywista weryfikacja wymagałaby aluminiowej płaszczyzny uziemiającej o powierzchni 1,2 m². Ze względu na mniejsze rozmiary płaszczyzny demonstracyjnej można zaobserwować odbicia w kablu koncentrycznym, powodujące zakłócenia w przechwyconym przebiegu. Dławiki ferrytowe pomagają zredukować te odbicia

Rysunek 6. Grot końcówki wyładowczej powinien być jak najdokładniej wyśrodkowany na tarczy przed wyzwoleniem impulsu

Aby przechwycić impulsy ESD na oscyloskopie MSO z serii 4, 5 lub 6, należy wyregulować skalę pionową na wartość 200 mV/dz lub 400 mV/dz (w zależności od ustawienia napięcia symulatora), a podstawę czasu na 20 ns/dz, aby zmieścić większość przebiegu na ekranie. Tryb wyzwalania powinien być ustawiony na „Ręczny”, poziom wyzwalania powyżej lub poniżej zerowej linii bazowej, w zależności od tego, czy weryfikowany jest impuls dodatni czy ujemny (rysunek 7).

Rysunek 7. Zapis typowego wyładowania kontaktowego +4 kV przy użyciu demonstracyjnej tarczy ESD. Szczytowe napięcie wynosi 16 V
(1,6 V × 10, ze względu na tłumik 20 dB). Oznacza to, że szczytowy prąd wyładowania wynosi 7,6 A dla tarczy 2,1 Ω

Weryfikacja wyładowania powietrznego

Na ogół normy ESD określają dla większości produktów poziom napięcia w testach wyładowania powietrznego na ±8 kV, ale może się to różnić w zależności od zastosowania lub środowiska użytkowania. Na rysunku 8 przedstawiono układ do przechwytywania impulsu wyładowania powietrznego +8 kV.

Rysunek 8. Układ testowy pokazujący zasadę weryfikacji symulatora ESD dla wyładowania powietrznego +8 kV do tarczy. Rzeczywista weryfikacja wymagałaby aluminiowej płaszczyzny uziemiającej o powierzchni 1,2 m². Ze względu na mniejsze rozmiary płaszczyzny demonstracyjnej można zaobserwować odbicia w kablu koncentrycznym, powodujące zakłócenia w przechwyconym przebiegu. Dławiki ferrytowe pomagają zredukować te odbicia

Rysunek 9. Podczas testowania wyładowania powietrznego należy wycelować grot w środek tarczy podczas zbliżania się do niej pod kątem 90 stopni. Tarcza nowszej konstrukcji jest znacznie trudniejsza do trafienia

Ostrożne podejście

Wyniki weryfikacji wyładowania powietrznego mogą się znacznie różnić, co zależy od prędkości podejścia, kąta natarcia i wilgotności. Wykonując testy wyładowania powietrznego należy zbliżać końcówkę symulatora ESD do tarczy pod kątem 90° i ze stałą prędkością (rysunek 9). Między grotem końcówki a tarczą powinien pojawić się łuk bez faktycznego dotykania tarczy. Można zmaksymalizować powtarzalność, ale należy spodziewać się dużej zmienności kształtu przebiegu i wartości napięcia szczytowego. Wilgotność względna podczas pomiarów demonstracyjnych wynosiła 45%, co może obniżać szczytową wartość napięcia w porównaniu z warunkami normalnymi. Podczas testów wyładowania powietrznego warto dokumentować wilgotność, ponieważ może ona mieć znaczący wpływ na wyniki testów ESD. Ta zmienność jest jednym z powodów, dla których wymagane jest badanie wyładowań kontaktowych, ponieważ dają one z natury bardziej spójne wyniki pod względem czasu narastania i kształtu impulsu. Rysunek 10 przedstawia zarejestrowany impuls wyładowania 8 kV w powietrzu.

Rysunek 10. Zapis typowego wyładowania powietrznego +8 kV przy użyciu demonstracyjnej tarczy ESD. Szczytowe napięcie wynosi 25 V
(2,5 V × 10, ze względu na tłumik 20 dB), co oznacza szczytowy prąd wyładowania równy 11,9 A dla tarczy 2,1 Ω

Podsumowanie

Należy upewnić się, że przed jakimkolwiek wstępnym lub normalnym testem zgodności został wykonany i udokumentowany test weryfikacyjny w celu potwierdzenia prawidłowego działania symulatora. Po zakończeniu testów weryfikacyjnych można przeprowadzić badanie dochodzeniowe lub kwalifikacyjne, wiedząc, że symulator ESD działa prawidłowo.

Oscyloskopy Tektronix MSO z serii 4, 5 i 6 nadają się idealnie do takich pomiarów weryfikacyjnych ze względu na ich wyjątkową przepustowość i niski poziom szumów wewnętrznych.

Jedynym autoryzowanym Dystrybutorem oraz Serwisem produktów Tektronix na terenie Polski jest firma Tespol Sp. z o.o.

www.tespol.com.pl